简述SiC功率器件的新发展和挑战

日期:2022-11-04 阅读:277
核心提示:碳化硅(SiC)被认为是未来功率器件的革命性半导体材料;许多SiC功率器件已成为卓越的替代电源开关技术,特别是在高温或高电场的

       碳化硅(SiC)被认为是未来功率器件的革命性半导体材料;许多SiC功率器件已成为卓越的替代电源开关技术,特别是在高温或高电场的恶劣环境中。本章将讨论SiC功率器件面临的挑战和最新发展。第一部分重点介绍碳化硅功率二极管,包括碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)、碳化硅PiN二极管(PiN),碳化硅结/肖特基二极管(JBS),然后介绍碳化硅聚碳场效应管、DMOSFET和几种MESFET,第三部分是关于碳化硅双极器件,如BJT和IGBT。最后,讨论了SiC功率器件开发过程中的挑战,特别是其材料生长和封装。

  第一代和第二代半导体材料分别以硅(Si)和砷化镓(GaAs)为代表。宽带隙材料,如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),被称为第三代半导体材料。SiC是1824年由Berzelius在钻石合成实验中发现的。SiC的首次用途是作为磨料。其次是电子应用程序。在20世纪初,SiC被用作第一批无线电中的探测器,然后自1907年以来变得流行,当时Henry Joseph Round通过向SiC晶体施加电压并观察阴极的黄色,绿色和橙色发射来生产第一个LED。这引起了电子研究人员的极大关注,大约半个世纪前,SiC在半导体行业的潜力得到了认可。与使用最广泛的半导体材料Si相比,SiC具有许多显着的电子特性,包括宽带隙,大临界电场,高导热性,高电子饱和速度,化学惰性和辐射硬度[1-3].这些优异的性能使SiC非常适合高电压、高功率和高温应用。

  SiC功率器件在1970年代开始开发。在众多研究人员的努力下,1980年代其晶体质量和制造技术有了很大的提高,随后开发了各种SiC器件,其性能迅速提高。

  目前,SiC功率器件的初级理论阶段已经完成。商业可用性阶段正在迅速发展;单晶衬底和器件制造工艺等工艺技术取得了长足的进步。自2001年起,英飞凌公司开始供应碳化硅肖特基二极管。现在碳化硅二极管、MOSFET、JFT、BJT等碳化硅三端器件已经面世,CREE、东芝、意法半导体等公司都有供货SiC功率器件的能力。

  然而,开发基于SiC的器件的主要障碍是SiC材料的质量和成本与Si基器件相比。随着近年来SiC外延材料工艺的进展,获得高质量的4H-SiC衬底和外延层是可行的,从而为SiC功率器件实现优异的功率性能。例如,100 mm 4H-SiC基板和外延层可用于制造功率器件。由于越来越多的研究人员和公司开始关注SiC材料,成本即将大幅下降,预计在不久的将来可以承受成本;反过来,这将促进SiC功率器件的发展。

  碳化硅(SiC)被认为是未来功率器件的革命性半导体材料;许多SiC功率器件已成为卓越的替代电源开关技术,特别是在高温或高电场的恶劣环境中。本章将讨论SiC功率器件面临的挑战和最新发展。第一部分重点介绍碳化硅功率二极管,包括碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)、碳化硅PiN二极管(PiN),碳化硅结/肖特基二极管(JBS),然后介绍碳化硅聚碳场效应管、DMOSFET和几种MESFET,第三部分是关于碳化硅双极器件,如BJT和IGBT。最后,讨论了SiC功率器件开发过程中的挑战,特别是其材料生长和封装。

  碳化硅功率器件二极管场效应管场效应管

  第一代和第二代半导体材料分别以硅(Si)和砷化镓(GaAs)为代表。宽带隙材料,如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),被称为第三代半导体材料。SiC是1824年由Berzelius在钻石合成实验中发现的。SiC的首次用途是作为磨料。其次是电子应用程序。在20世纪初,SiC被用作第一批无线电中的探测器,然后自1907年以来变得流行,当时Henry Joseph Round通过向SiC晶体施加电压并观察阴极的黄色,绿色和橙色发射来生产第一个LED。这引起了电子研究人员的极大关注,大约半个世纪前,SiC在半导体行业的潜力得到了认可。与使用最广泛的半导体材料Si相比,SiC具有许多显着的电子特性,包括宽带隙,大临界电场,高导热性,高电子饱和速度,化学惰性和辐射硬度[1-3].这些优异的性能使SiC非常适合高电压、高功率和高温应用。

  SiC功率器件在1970年代开始开发。在众多研究人员的努力下,1980年代其晶体质量和制造技术有了很大的提高,随后开发了各种SiC器件,其性能迅速提高。

  目前,SiC功率器件的初级理论阶段已经完成。商业可用性阶段正在迅速发展;单晶衬底和器件制造工艺等工艺技术取得了长足的进步。自2001年起,英飞凌公司开始供应碳化硅肖特基二极管。现在碳化硅二极管、MOSFET、JFT、BJT等碳化硅三端器件已经面世,CREE、东芝、意法半导体等公司都有供货SiC功率器件的能力。

  然而,开发基于SiC的器件的主要障碍是SiC材料的质量和成本与Si基器件相比。随着近年来SiC外延材料工艺的进展,获得高质量的4H-SiC衬底和外延层是可行的,从而为SiC功率器件实现优异的功率性能。例如,100 mm 4H-SiC基板和外延层可用于制造功率器件。由于越来越多的研究人员和公司开始关注SiC材料,成本即将大幅下降,预计在不久的将来可以承受成本;反过来,这将促进SiC功率器件的发展。

 

  碳化硅二极管

  功率二极管是现代电源应用中的关键元件。经典的整流功能因对开启和关闭速度的高要求而升级。为了制造SiC功率器件,欧姆触点在半导体和外部电路之间的信号传输中起着非常重要的作用。在过去的几十年中,在结构表征和电气性能方面,已经研究了大量的欧姆触点材料。对于n型SiC材料上的欧姆触点,最有希望的金属是镍(Ni)。已经证明,在900-1000ºC范围内退火的Ni薄膜可以在n型SiC上形成良好的欧姆接触,特定接触电阻为1×10-6Ω⋅厘米2[4].对于p型材料,由于肖特基势垒较高,欧姆接触形成甚至比n型材料更困难。许多研究都集中在铝/钛(Al/Ti)触点上,其特定的接触电阻约为10-5Ω⋅厘米2[5].

  肖特基势垒二极管(SBD)

  作为单极性器件,SBD的反向恢复电流为零。图1显示了碳化硅SBD的一般结构;它由金属和半导体块区域之间的电非线性接触形成。由SiC制造的SBD为电源电路设计提供了新的学位,自2001年以来已上市。SiC SBD最显着的优势是阻断电压和传导电流额定值的持续增加,从最初的300 V、10 A和600 V、6 A[6]到电流600 V,20 A[7].此外,预计SBD可以施加高达2,000 V的阻断电压(因为合并解决方案也高达3 kV)[8].首次报道了采用场板端子技术的4H-SiC,击穿电压为1,750 V[9].甚至可以预见,这种类型的二极管可能会取代中等功率电机驱动模块中的Si双极二极管。由于SBD中没有反向恢复电荷,因此它具有极快的导通性能,非常适合高速开关应用,并大幅降低典型电路的动态损耗。与硅和砷化镓二极管相比,SiC的高导热性也是SiC SBD的一大优势,因为它允许SBD在更小尺寸的冷却系统中以更高的电流密度额定值运行。然而,由于其较低的内置电位屏障,其反向漏电流很大,尤其是在高温下。

  碳化硅MESFET

  对于SiC功率金属半导体场效应晶体管(MESFET),击穿电压是允许功率器件实现特定功率密度和功率转换的一个非常重要的参数。图6是传统碳化硅MESFET的示意图。先前的研究提出了许多改善击穿电压的技术[22,23].为了优化表面电场并改善击穿电压,提出了新技术,其中包括REBULF(减少体积场)[24]和完整的3D缩小面场(RESURF)[25].高击穿是用REBULF技术在超薄外延层上获得的。可以确保这些新技术可以直接移植到SiC功率MESFET上。因此,设计了几种新的SiC功率MESFET,以优化击穿电压、特定导通电阻、频率和跨导的特性。

  SiC功率器件的封装也是一个紧迫的问题。一旦克服了材料和工艺挑战,SiC器件的封装可靠性将是影响电路性能的关键因素。当设备在高温(≥200°C)下工作或冷却液温度要求工作温度高于当今的~150°C极限时,封装可靠性也很重要。例如,使用发动机冷却液的汽车电机驱动、石油和天然气钻井和开采、航空电子电源、空间电源和军事应用。提高功率处理能力以减少昂贵的芯片面积和冷却成本非常重要。因此,需要用于高温应用的新型封装材料。

  由于通过非常快速的开关可以大大降低开关能量,并且在快速开关区域应用SiC功率器件时,应考虑器件和封装之间的内部电磁寄生效应问题。先进的电源模块架构非常重要。

  在SiC功率器件的应用过程中,人们应该考虑高电场问题。由于器件内部电场较高,钝化层和芯片表面的场应力非常高,以至于端子边缘的芯片/凝胶界面的平均电场比SiC二极管高约3倍。在如此高的表面场强度下,任何颗粒或移动离子形式的污染都可能导致可能的电化学驱动腐蚀过程;钝化层中的任何材料缺陷和封装的任何分层/附着力不足都可能变得非常关键。这使得先进的绝缘技术变得非常重要。

  由于没有反向恢复电荷,SBD具有极快的导通性能,非常适合高速开关应用,大大降低了典型电路的动态损耗,同时最大限度地减少了冷却系统的尺寸。SiC PiN二极管具有低栅极漏电流和高击穿电压的特点,因此可以在高电压和低频情况下用作开关。JBS具有与肖特基二极管相似的导通状态和开关特性,以及类似于PiN二极管的阻塞特性。与JFET相比,MESFET具有卓越的RF性能,因为栅极电容更小,跨导更高。SiC BJT的开关损耗和导通状态电压远低于Si BJT。除非逆沟道层中的电子迁移率和栅极氧化层的可靠性被突破,否则SiC MOSFET将不会在商业上得到普及。

(来源:国晶微半导体)

 

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